低能质子和电子辐照GaAs/Ge太阳电池性能演化及损伤机理

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本文通过空间辐射环境地面模拟试验,对航天器应用的GaAs/Ge太阳电池在质子、电子及其综合辐照作用下电性能的演化规律及损伤机理进行了研究。采用了单因素质子、单因素电子、先质子后电子、先电子后质子以及质子和电子同时辐照五种辐照方式。质子与电子的能量选为50~170keV,电子注量达到1×1016e/cm2,质子照注量达到3×1012p/cm2。通过伏安特性、光谱响应、光致发光光谱、深能级瞬态谱、光学反射光谱及霍尔效应等测试手段揭示了质子、电子单因素和综合因素辐照条件下GaAs/Ge太阳电池的性能演化规律,分析了辐照导致GaAs/Ge太阳电池短路电流(Isc)、开路电压(Voc)、最大功率(Pm)和填充因子(FF)等特性参数退化的机理。质子辐照后I-V测试分析结果表明,小于200keV质子辐照能量相同时,随辐照注量的增加,GaAs/Ge太阳电池的Isc、Voc、Pm和FF等特性参数降低。辐照注量相同时,质子能量越高,电池性能衰降程度越大。质子辐照后GaAs/Ge太阳电池的量子效率随辐照能量和注量增大而降低;能量较低时呈现短波效应,而随着能量增高,引起短波效应的同时出现长波效应。随着辐照能量和注量的增加,GaAs/Ge太阳电池光致发光峰的峰高降低,半峰宽变宽,峰位右移。质子辐照在GaAs/Ge太阳电池的p区、结区和n区分别引入了高密度的深能级缺陷,缺陷的能级位置随辐照能量和注量的不同而变化。在所试验的GaAs/Ge太阳电池中主要产生了Ec-0.24eV、Ec-0.33eV、Ec-0.38eV、Ec-0.52eV、Ec-0.72eV和Ec-0.75eV六个深能级。原位I-V测试分析结果表明,小于200keV的电子辐照能使GaAs/Ge太阳电池的性能参数降低。电子辐照能量相同时,电池的Isc、Voc、Pm和FF等性能参数均随辐照注量的增加而降低。辐照注量相同时,电池性能随辐照能量增高而下降。能量小于200keV的电子辐照对GaAs/Ge太阳电池引起的性能衰降,可以在室温放置过程中逐步得到恢复。不同能量与注量低能电子辐照后,GaAs/Ge太阳电池的量子效率有所减小,光学反射率有所升高,但尚未发现深能级缺陷形成。低能质子与电子顺序辐照和同时辐照试验结果表明,同时辐照比顺序辐照更能使GaAs/Ge太阳电池的电性能降低。顺序辐照时,低能质子对电池性能退化起主要作用。质子与电子同时辐照时,GaAs/Ge太阳电池量子效率衰降最严重,其次是电子和质子的顺序辐照。质子与电子综合辐照对GaAs/Ge太阳电池性能的影响具有协合效应。GaAs/Ge太阳电池综合辐照前后PL光谱发生变化,GaAs特征峰强度经综合辐照后明显降低,半峰宽有少许增宽,峰位发生轻微红移。综合辐照下,量子效率下降的幅度依次是:质子与电子同时辐照>质子和电子顺序辐照>单独质子辐照>>单独电子辐照。
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